⼩型衛星PolariS搭載ガンマ線バースト広視野偏光計の開発中森健之、坂野光成、⽚桐惇、加藤晃紀、岸川達哉、⽊村沙也⾹、郡司修⼀（⼭形⼤理）、⽶徳⼤輔（⾦沢⼤理）、三原建弘（理研）、他 PolariSワーキンググループ Abstract X線・ガンマ線による偏光観測は、放射機構や磁場の構造などを知るための強⼒なプローブであるにもかかわらず、技術的な困難さから未だ開拓が進んでいない⾼エネルギー天⽂学のフロンティアである。我々は⼩型衛星PolariS搭載を⽬指して、ガンマ線バースト観測⽤のX線・ガンマ線偏光計を開発している。この偏光計はコンプトン散乱の異⽅性を利⽤した広視野偏光検出器であり、散乱体であるプラスチックシンチレータアレイと吸収体であるGAGGシンチレータアレイによって50--400 keVのエネルギー帯域をカバーする。また信号の読み出しにはそれぞれマルチアノード光電⼦増倍管とアバランシェフォトダイオードを採⽤している。本講演では、我々が現在進めているマルチアノード光電⼦増倍管に関する要素試験と、シミュレーションによる検出器サイズの最適化について報告する。 Introduction 検出器構成と開発のポイントコンプトン散乱の異⽅性を利⽤した検出器である。散乱散乱硬X線の⽅向は偏光⽅向に対して垂直になりや線⽅向偏光⽅向対垂直すい。プラスチックシンチレータ（散乱体）でコンプトン散乱させ、周囲を取り囲む無機シンチレータ（吸収体）によって散乱X線を吸収する。シンチレータをピクセル化することにより、散乱⽅向を知ることができる。シンチレータの読み出しにはマルチアノード光電⼦増倍管 (MAPMT) とアバランシェ・フォトダイオード(APD)を⽤いる。ガンマ線バースト（GRB）は宇宙論的な遠⽅で起こる宇宙最⼤の爆発現象であり、prompt emissionの発⽣機構については決定的な結論が得られていない。特に硬X線の偏光を測定することによってモデルに対して⾮常に強い制限を与えることができる。 GRB100826A GRB偏光計 4隅に4台 RHESSI[1] とINTEGRAL[2] によるGRBからの硬X線偏光の検出報告には議論があったが、ソーラーセイル実証機イカロスに搭載されたGAP検出器が3σを超える有意度で偏光を検出（左上図[3]）した他、合計3例のGRBに対して偏光検出結果を報告した。 GRBの偏光度から輻射モデルを特定するためには、100例程度まで偏光検出数を増やし GRBの個性が⾒えなくなるよう度まで偏光検出数を増やし、GRBの個性が⾒えなくなるようにして統計的に判断する必要がある。我々は⼩型衛星 PolariS[4] に搭載するGRB⽤硬X線偏光計を開発している。 GAPより⾼い感度を持つ検出器を4台、それぞれ別の⽅向を向けることによって広い視重量電⼒⾯積野を確保する計画である（ GAP 3.8kg 5W 140cm2 左下図）。新型〜6kg 〜15W 300cm2 耐震改良型 MAPMTの評価耐震化を施したウルトラバイアルカリ光電⾯のMAPMTを採⽤予定である（右図）。通常MAPMTには個体差があり、平均的なゲインやピクセル間のゲインの均⼀性は保障されていない。今回ピクセル間のゲインの最⼤最⼩⽐が2倍以下という条件で10台のMAPMTを購⼊した。 26.2mm 26.2mm R11265‐200‐M16 すべてのチャンネルに対して、光電⾯からの熱雑⾳による1 p.e.を測定し、各MAPMTの平均ゲインやピクセルのゲインのばらつきを調べた。全160チャンネルのゲイン分布を下左図、各PMT内でのゲインの最⼤最⼩⽐を下右図に⽰す。要求値を⼗分に満⾜する1.4倍程度に収まっていることがわかった。全chのゲイン各MAPMT内のゲインの最⼤最⼩⽐ Modulation Factor 100%偏光に対する検出器レスポンス MF  Cmax  Cmin Cmax  Cmin MF 〜30% 検出効率 15%@100keV 〜45% >25%@100keV 55Fe 耐震化性能を確認するため、⼭形県⼯業技術センター置賜試験場において正弦波のスイープ試験(x, y, z⽅向）、およびパイロ衝撃試験（左図）を⾏った。典型的な打ち上げ振動プロファイルを元にした。振動試験後のMAPMTの性能変化について現在評価を進めている。シンチレータの形状最適化放射化実験による放射化実験よる吸収体の選定吸収体の候補となる無機シンチレータは衛星軌道上での放射化によるバックグラウンド（BG）が最も少ないものを選ぶ必要がある。我々はCsI(Tl)、GAGG、GSOを候補として挙げ、放射線医学研究所HIMACで150 MeVプロトンビームを各シンチレータに10kradを⽬標に照射した。ビームライン最下流に設置されてている2次元位置有感型イオンる次元位置有感型イオンチェンバのデータを元にビームの形状を再構成し（左図）、 Geant4 各結晶のドーズ量をより正確に⾒積った。以下ではドーズ量で規格化して結晶間の⽐較を⾏った。結晶のサイズ鉛ブロック結晶プリアンプ⾼さ厚み PMT MCA 上図のセットアップで241Amのスペクトルを取得することにより、発光量の評価とエネルギーキャリブレーションを⾏った。ビーム照射前と⽐較して有意な光量の低下はいづれの結晶でも認められなかった。偏光計を組み上げた際に問題となる、30̶400 keVのエネルギーデポジットを起こすカウントレートを内在BGとして計上した。衛星搭載上の重量の制限の下で、検出効率を最⼤にするシンチレータの⾼さ及び吸収体の厚みをGeant4を⽤いて調べた。ここでは検出器1ユニットを⽤いて評価した。4ユニットで1台の偏光計となる。の偏光計となる 14.5×14.5 mm2のプラスチックシンチレータを6×6に並べ、MAPMTとの接合部にテーパ加⼯を加えた。同じ幅を持つGAGGを6つずつ周囲に並べた。単⾊の硬X線を全⾯に対して垂直に⼊射し、以下の条件を満たすイベントの割合を求め、検出効率とした。裏評価測定セットアップ整形アンプ次に、10台の中で最もゲインが⼩さいチャンネルの性能を調べた。 5.5x5.5x40 mm3のプラスチックシンチレータに5.9 keVのX線を照射して得られたスペクトルを、ガウシアン＋ポアソン分布でフィットし、信号の検出効率をエネルギー閾値の関数として求めた（下図）。その結果、50%の検出効率を要求すると1.5 keV程度まで閾値を下げられることがわかった。またこのときの 1p.e.ノイズレートは室温で143 Hzであった。検出器への要請は、GRBからの偏光X線を3－4年のミッション期間中に100例程度捉えることである。 X線のエネルギーが低いほど⼊射粒⼦数は多いが X線のエネルギーが低いほど⼊射粒⼦数は多いが、散乱体でのエネルギーデポジットが⼩さい。したがって、散乱体のエネルギー閾値低下は感度向上に直結する。また、衛星軌道上では吸収体シンチレータの放射化によるバックグラウンドが問題であり、 GAPの場合ではGRBの信号を卓越するほど⾼いレートであった。放射化バックグラウンドの影響が⼩さい素材を選ぶ必要がある。イベント選択条件（１）2本以下のプラスチックシンチレータでエネルギーデポジットが発⽣する。ここでは実験で求めた検出効率も考慮した。（２）ただ1本だけ GAGGシンチレータで30keV以上のエネルギーデポジットが発⽣する。（３）⼊射エネルギーを全吸収する。検出効率のエネルギー依存性を下図に⽰す。吸収体の厚みよりもシンチレータの⻑さを伸ばすことが効果的である。このことから、Ｘ線が散乱する確率を上げることが検出効率に対して⽀配的であると考えられる。また GAP[5]よりも⾼い検出効率でより広いエネルギー領域をカバーできることも分かった。今後は実験で評価した GAGGのエネルギー閾値を反映させ、最適解を決定し、デザインを確定する予定であるデザインを確定する予定である。⻑さ上左図はGAGGのBGスペクトルの時間変化である。時間経過と共に放射化で発⽣したピークと連続成分の減少が明らかにわかる。上右図にBGレートの時間変化を⽰す。1⽇より⻑いタイムスケールではGAGGが最もBG レートが低いことが分かった。得られたデータから、 1krad/yr として軌道上でのBGレートを計算した（左図）。ミッションを通じてBGが最も低い GAGGを吸収体として採⽤することに決めた。 2014年宇宙科学シンポジウム＠宇宙科学研究所厚み 70mm ● 5mm 65mm ■ 6mm 60mm ▲ 7mm ▼ 8mm GAP References [1]Coburn, W. & Boggs, S. E. (2003), Nature, 423, 415 [2]Goetz, D. et al. (2009), ApJL, 695, L208 [3]Yonetoku, D. et al. (2011), ApJL, 743, L30 [4]Hayashida, K. et al. (2012), SPIE, 8443, 9 [5]Yonetoku, D. et al. (2011), PASJ, 63, 625 This document is provided by jAXA.